1 / 23

Marin Kybernetikk

SATELLITE. THRUSTER SETPOINTS. MEASUREMENTS. SIGNAL PROCESSING. THRUST ALLOCATION. REAL WORLD. VESSEL OBSERVER. CONTROLLER. VESSEL MOTIONS. COMMAND THRUSTER FORCES. VESSEL SETPOINTS. Marin Kybernetikk. Vitenskapelig stab:

jason-forbes
Download Presentation

Marin Kybernetikk

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. SATELLITE THRUSTER SETPOINTS MEASUREMENTS SIGNAL PROCESSING THRUST ALLOCATION REAL WORLD VESSEL OBSERVER CONTROLLER VESSEL MOTIONS COMMAND THRUSTER FORCES VESSEL SETPOINTS Marin Kybernetikk • Vitenskapelig stab: • Professor Asgeir J. Sørensen E-mail: Asgeir.Sorensen@ntnu.no • Professor Roger SkjetneE-mail: Roger.Skjetne@ntnu.no • Tverrfaglig master program etablert i 1999: • Institutt for marin teknikk • Institutt for teknisk kybernetikk

  2. Kybernetikk • Ordet ”kybernetikk” har sin opprinnelse i det greske ordet ”kybernetes”, som betyr ”styrmann/rormann”, dvs. ”den som styrer”. • I ulike fysikkfag så lærer man å matematisk modellere dynamiske system. Kybernetikk er å manipulere dynamiske system for å få dem til å oppføre seg slik DU ønsker. • Eksempler inkluderer alt fra termostatregulering av varmeovner (enkelt) til banestyring av fly (vanskelig) • En av de første reguleringstekniske anvendelsene i moderne tid var autopiloter for skip (”Metal Mike” i 1911), som ble mulig etter at gyroskopet var oppfunnet (gav en pålitelig måling av skipsretningen) System Ønsket oppførsel Pådrag Regulator Faktisk oppførsel

  3. Profil for marinkybernetik Institutt for marin teknikk Reguleringsteknikk Marin teknikk Matematiskmodellering Institutt for teknisk kybernetikk Informasjonsteknologi

  4. Metodikk og disipliner • Matematisk modellering av fysiske systemer • Databasert simulering • Design og analyse av reguleringssystemer • Navigasjon og fartøystyring • Instrumentering og sensor-teknologi • Datateknikk og sanntidssystemer

  5. Databasert simulering Simulator Matematiske modeller av skip og utstyr blir implementert og analysert for ulike værsituasjoner, operasjonelle krav og feiltilstander

  6. Navigasjon og fartøystyring • Posisjoneringssystemer: • Autopiloter • Dynamiske posisjonerings-systemer • Thrusterassisterte forankrings-systemer • Hovedfunksjon: • Holde fartøyet, som er utsatt for • bølger • vind • strøm, • på spesifisert posisjon og kursved hjelp av propeller og ror

  7. Maritime elektriske anlegg Diesel-elektriske systemer: • Elektrisk kraftproduksjon og distribusjon. • Elektriske omformere og roterende maskineri • Elektrisk propulsjon • Marin automatisering: • Maskinerisystemer • Ballastsystemer • Lossesystemer • Kompressorstyring • Energifordeling (PMS) • Diagnostikk og tilstands-overvåking

  8. PITCH or RPM CONTROL POWER TORQUE CONTROL POWER VARIABLE TORQUE CONSTANT TORQUE Propulsjon og thrusterstyring • Thrust- og effekt-allokering (distribuering) • Pitch-/turtall-/moment-/effektregulering • Antispin thruster-regulering • Kombinert ror- og propellregulering

  9. Marine operasjoner • Inspeksjon, installasjon og intervensjon • Kranoperasjoner • Undervannsroboter

  10. Arktiske DP operasjoner • DP system med kompensasjon av iskrefter. • Ice Management. • Ubemannede farkoster. • Sikre DP operasjoner i arktis: • Olje- og gassutvinning • Miljø- og overvåknings-operasjoner i nordområdene. Ice

  11. Regulering av fleksible konstruksjoner • Regulering av stigerør i forbindelse med DP-operasjoner • Posisjonering av neddykket last • Regulering av trålsystemer • Regulering av form til havbruksanlegg • Regulering av seismiske kabler • Rørlegging

  12. Regulering av sammenkoblede konstruksjoner • Regulering av storskala sammenkoblede havbruks-anlegg • Havbruk i værutsatte områder • Mobile anlegg • Bølgedemping • Konfigurasjonsstyring Reguleringsfilosofi lik romstrukturer

  13. Ubemannede fartøyer • Bevegelsesstyring av ubemannede fartøyer: • Overflatefartøyer • Undervannsfartøyer • Kan operere i store nettverk for innhenting av informasjon i sann tid over et stort område (eksempel: overvåking av Barentshavet)

  14. Miljøvennlig kraftproduksjon • Vindkraftverk til havs • Bølgekraftverk • Tidevannskraftverk

  15. Theory – Simulation – Experiments - Missions Applied Underwater Robotics Laboratory Simulator Environment Control and instrumentation Marine Cybernetics Laboratory Hydrodynamics Towing Tank Full-scale and prototype applications Mechanics Cavitation Tunnel Run time infrastructure Experimental techniques & prototyping Machinery systems Ocean Basin Databases, analysis Structural Laboratory Visualisation GPS/INS Navigation Laboratory Marine Technology Oil & gas Biology Automatic Control Archaeology

  16. NTNU Research Vessel Gunnerus NTNU's research vessel, R/V Gunnerus, was put into operation in spring 2006. The ship is fitted with a dynamic positioning system and a HiPap 500 unit, optimal for ROV operations and the positioning of any deployed equipment. The vessel is arranged with wet lab, dry lab and a computer lab in addition to a large aft deck. Accommodation comprise three double berth scientific personnel cabins and three single berth crew cabins. The large mess hall functions as a lecture room for 25 people. ROV MINERVA

  17. Fagvalg Marin kybernetikk

  18. Aktuelle Fordypningsemner • Marin kybernetikk: • Avansert modellbasert design og testing av marine reguleringssystemer (3,75 SP) • Avanserte reguleringsmetoder for marine systemer(3,75 SP) • Marine Mekatronikk (3,75 SP) • Andre relevante emner ved instituttet: • Dynamisk analyse av marine konstruksjoner (3,75 SP), • Konstruksjonsanalyse VK (3,75 SP), • Eksperimentelle metoder i marin hydrodynamikk (3,75 SP), • Numeriske metoder i marin hydrodynamikk (3,75 SP), • Hydroelastisitet (3,75 SP), • Is-1 (3,75 SP), • Is-2 (3,75 SP), • Andre relevante emner ved ITK: • Robotteknikk (3,75 SP), • Ulineær bevegelsesstyring (3,75 SP), • Kalman filtrering og navigasjon (3,75 SP).

  19. Fordypningsemne: Avansert modellbasert design og testing av marine reguleringssystemer Ansvarlig: Professor Asgeir J. Sørensen Litteratur: Marine Control Systems: Propulsion and Motion Control of Ships, Underwater Vehicles and Ocean Structures. Report UK-10-76, 2010, Department of Marine Technology. DNV. Rules for classification of ships. Selected papers on marine control applications. Mål: Temaet vil gi innsikt og kunnskap til å analysere, utvikle og teste avanserte marine reguleringssystemer. Innhold: Emnet vil gi en fordypning i matematisk modellering og design av hybride og modellbaserte reguleringssystemer for propulsjon og bevegelsesstyring av skip, undervannsfarkoster og marine konstruksjoner. Det vil bli lagt vekt på marintekniske anvendelser der prosessforståelse og fysisk innsikt er spesielt viktig i design og testing av reguleringssystemer. Dette inkluderer fleksible systemer beskrevet av partielle differensial ligninger, hurtiggående fartøyer og avanserte marine og undervannsoperasjoner under krevende og skiftende værforhold og på dypt vann, samt optimaliseringsmetoder for thrust allokering. Eksempler er regulering av stigerør og rørledninger, vibrasjonsdemping, bevegelsesdemping av luftputekatamaraner, undervannsrobotikk og dynamisk posisjonering av skip og rigger i ekstrem sjø og isbelagte farvann. Testing av marine reguleringssystemer ved hjelp ”Failure mode and effect analysis – FMEA” og simulatorteknologi omtalt som ”Hardware-In-the-Loop (HIL) testing” vil også bli behandlet.

  20. Fordypningsemne: Avanserte reguleringsmetoder for marine systemer • Ansvarlig: Professor Roger Skjetne • Litteratur: Bøker og/ellerartikleravhengigavvalgtkybernetiskfagområde (spesifiseres). • Mål: • De tilsiktede læringsmål for studenten er å kunne designe et avansert reguleringssystem innenfor et spesifisert kybernetisk fagområde, analysere systemets egenskaper rundt stabilitet og ytelse, kunne anvende dette for en valgt maritim applikasjon i et designprosjekt, og rapportere dette arbeidet skriftlig. • Innhold: • Studenten velger en ytterligere fordypning innen et av følgende områder: • Adaptive reguleringsdesign av ulineære systemer (adaptiv backstepping, gradientsøkmetoder, osv.), • Robuste ulineære reguleringsmetoder (ulike backstepping design, ISS design metoder, sliding-mode design, passiveringsdesign, og ulineær PID og integralregulering), • Manøvreringsteori og banefølgingsteori for styring av marine farkoster langs baner (baneparametrisering og banegenerering, guidance teorier, og relevante regulatoralgoritmer), • Styring av formasjoner av farkoster (formasjonskonfigurasjoner, reguleringsstrategier, guidance strategier, antikollisjon, osv.), og • Feildiagnostikk og feiltolerant reguleringsmetoder (feildeteksjon, feilisolasjon, og rekonfigurasjon av regulatorsløyfer for å håndtere feilsituasjoner i utstyr og prosesser). • Læring av teori utføres ved bruk av felles forelesninger, kollokvier, og/eller veiledninger avhengig av praktiske forhold (antall studenter innen et gitt område, osv.) Ilag med ansvarlig fagperson velger hver student en applikasjon å anvende reguleringsmetoden på. Dette skal resultere i et reguleringsdesign for applikasjonen, analyse av dets egenskaper, og simuleringsresultat. Arbeidet skal rapporteres skriftlig og vil telle 50% av karakteren i emnet. Resterende del av karakteren baseres på en muntlig prøve.

  21. Fordypningsemne: TMR 21 Marin mekatronikk Faglærere: Førsteamanuensis Eilif Pedersen Uketimer: Høst: 2F + 3Ø + 2S = 3.75 SP Tid: TBD Karakterer: Modulen inngår i fordypningsemne TMR4535 (50%) Obl.aktiviter: Ja Læringsmål: Modulen har som mål å gi studenter som ønsker å arbeide med analyse av dynamikk i mekatroniske systemer en introduksjon til og trening i bruk av analyttiske og databaserte løsningsmetoder for formulering av modeller og analyse av slike systemers dynamikk. Anbefalte forkunnskaper: TMR4275 Modellering, simulering og analyse av dynamiske systemer TTK4105 Reguleringsteknikk vil være en fordel Faglig innhold: Gjennomgang av partikkel og partikkelsystemers kinematikk og dynamikk. Stive legemers dynamikk i generell bevegelse i 3D. Introduksjon til Hamilton’s prinsipp og Lagrange’s metode for formulering av bevegelsesligninger for mekaniske systemer. Aktuatorer i mekatronsike systemer, modellering og styring. Modellering av sammensatte systemer og løsning av bevegelsesligninger ved hjelp av datamaskin. Anvendelser fra maskindynamikk, robotteknikk og generell mekatronikk.

  22. Professor Roger Skjetne har sin forskningsprofil innen ·         DP systemer (har eit stort forskningsprosjekt på DP i arktiske områder ilag med Kongsberg Maritime, Statoil, og DNV), ·         marine elektriske kraftsystem og Power Management System (PMS), ·         formasjonsstyring av fartøyer, og ·         feil-tolerant regulering av marine systemer. Roger har forslag om følgende titler til prosjekt- og hovedoppgaver: 1.       Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup 2.       Arctic DP student projects a.       Developing an Arctic DP Vessel Simulator b.      Developing a dynamic ice-floe simulator for an arctic oil field c.       Designing a DP control system for a Construction and Intervention Vessel to operate in the arctic d.      Use of autonomous underwater vehicles for measuring ice properties in the arctic 3.       Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel 4.       Formation control of marine vessels using maneuvering control theory 5.       Active anti-roll control by use of thruster allocation in DP 6.       Student projects on Fault-Tolerant Control a.       Fault-detection in a ship’s electric power generation system b.      Use of observer design for fault-detection in thrusters used for DP c.       Use of observers for fault-detection in position, heading, and motion sensors used for DP d.      Fault-tolerant control of wind turbines Oppgavene vedr. Arktisk-DP vil bli knytta mot eit større forskningsprosjekt ”Arctic DP” og samarbeide med flere PhD studenter, professorer, og industribedrifter. Vi tar ellers sikte i alle oppgaver på eksperimentell testing av reguleringssystemene, som minimum. Noen oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater RoboticsLaboratory (AUR-Lab): Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw.Keywords: Signal processing, observer design, controller design, referencemodel, thrusterallocation Modelling and simulationofumbilical and ROV interactionsKeywords: hydrodynamics, cabledynamics, coupledmotions, simulation Underwater navigation systemKeywords: inertialnavigation, dobble log, GPS, camerabased, 3D models, sensor fusion, signal processing Underwater guidanceKeywords: Signal processing, referencemodels, auto trackingstrategies GraphicalUSerInterface for ROV DP systemKeywords: Monitoringfunctions, alarm system, layout, visualization Underwater photomosaic ROV manipulatorKeywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, referencemodel, controlallocation, ROV-manipulatorinteractions For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven. • Oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater RoboticsLaboratory (AUR-Lab): • Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw.Keywords: Signal processing, observer design, controller design, referencemodel, thrusterallocation • Modelling and simulationofumbilical and ROV interactionsKeywords: hydrodynamics, cabledynamics, coupledmotions, simulation • Underwater navigation systemKeywords: inertialnavigation, dobble log, GPS, camerabased, 3D models, sensor fusion, signal processing • Underwater guidanceKeywords: Signal processing, referencemodels, auto trackingstrategies • GraphicalUSerInterface for ROV DP systemKeywords: Monitoringfunctions, alarm system, layout, visualization • Underwater photomosaic • ROV manipulatorKeywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, referencemodel, controlallocation, ROV-manipulatorinteractions • For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven.

  23. Professor Roger Skjetne har sin forskningsprofil innen ·         DP systemer (har eit stort forskningsprosjekt på DP i arktiske områder ilag med Kongsberg Maritime, Statoil, og DNV), ·         marine elektriske kraftsystem og Power Management System (PMS), ·         formasjonsstyring av fartøyer, og ·         feil-tolerant regulering av marine systemer. Roger har forslag om følgende titler til prosjekt- og hovedoppgaver: 1.       Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup 2.       Arctic DP student projects a.       Developing an Arctic DP Vessel Simulator b.      Developing a dynamic ice-floe simulator for an arctic oil field c.       Designing a DP control system for a Construction and Intervention Vessel to operate in the arctic d.      Use of autonomous underwater vehicles for measuring ice properties in the arctic 3.       Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel 4.       Formation control of marine vessels using maneuvering control theory 5.       Active anti-roll control by use of thruster allocation in DP 6.       Student projects on Fault-Tolerant Control a.       Fault-detection in a ship’s electric power generation system b.      Use of observer design for fault-detection in thrusters used for DP c.       Use of observers for fault-detection in position, heading, and motion sensors used for DP d.      Fault-tolerant control of wind turbines Oppgavene vedr. Arktisk-DP vil bli knytta mot eit større forskningsprosjekt ”Arctic DP” og samarbeide med flere PhD studenter, professorer, og industribedrifter. Vi tar ellers sikte i alle oppgaver på eksperimentell testing av reguleringssystemene, som minimum. Noen oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater RoboticsLaboratory (AUR-Lab): Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw.Keywords: Signal processing, observer design, controller design, referencemodel, thrusterallocation Modelling and simulationofumbilical and ROV interactionsKeywords: hydrodynamics, cabledynamics, coupledmotions, simulation Underwater navigation systemKeywords: inertialnavigation, dobble log, GPS, camerabased, 3D models, sensor fusion, signal processing Underwater guidanceKeywords: Signal processing, referencemodels, auto trackingstrategies GraphicalUSerInterface for ROV DP systemKeywords: Monitoringfunctions, alarm system, layout, visualization Underwater photomosaic ROV manipulatorKeywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, referencemodel, controlallocation, ROV-manipulatorinteractions For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven. • Roger foreslår titler til prosjekt- og hovedoppgaver innenfor: • 1.  Arctic DP student projects: • Icedynamics simulators for Icemanagement. • Control of DP vesselsubject to iceforces. • Control of underwater vehicles for underwater icemonitoring. • Fault-tolerant control in DP by useofaccelerationmeasurements. • 2. Environmentallyfriendlycontrolofelectricmachinery • Control ofpower production in an LNG-driven electricpower plant. • Control ofloadsharingbetweenpowerproducers in a marine hybrid electricpower system. • Fault-tolerant controlofelectricpower production. • Development of an Energy Management System for a marine hybrid electricpower system. • 3. Maneuvering controltheory for marine vessels: • Advanced guidance and anti-collision for maneuvering of marine vessels. • Optimizing maneuvering control: Minimum fuel and minimum time controllaws. • Control and anti-collision of formations of marine vessels. • Application of maneuvering controltheory for stabilizingunstable zero-dynamics. • 4.   Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup • 5.  Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel

More Related